• Começa com um estrondo

Mesmo com o emaranhamento quântico, não há comunicação mais rápida que a luz

Mesmo com o teletransporte quântico e a existência de estados quânticos emaranhados, a comunicação mais rápida que a luz ainda é impossível.

Principais conclusões

• Para muitos, a noção de emaranhamento quântico, que pode ser mantido mesmo em distâncias muito grandes, leva à esperança de que algum dia possa ser usado para comunicação mais rápida que a luz.
• Mas existem leis fundamentais tanto para a relatividade quanto para a mecânica quântica e, embora existam estados quânticos emaranhados e obedeçam a regras misteriosas, nenhuma informação pode ser trocada mais rápido que a luz.
• Como resultado, a comunicação mais rápida que a luz não ocorre, independentemente de qual seja sua configuração de mecânica quântica. A menos que exista algo muito exótico, a comunicação mais rápida que a luz não é possível.

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Uma das regras mais fundamentais da física, indiscutível desde que Einstein a expôs pela primeira vez em 1905, é que nenhum sinal portador de informação de qualquer tipo pode viajar pelo Universo mais rápido que a velocidade da luz. Partículas, massivas ou sem massa, são necessárias para transmitir informações de um local para outro, e essas partículas são obrigadas a viajar abaixo (para massivas) ou a (sem massa) a velocidade da luz, conforme regido pelas regras da relatividade. Você pode tirar proveito do espaço curvo para permitir que esses portadores de informações peguem um atalho, mas eles ainda devem viajar pelo espaço na velocidade da luz ou abaixo.

Desde o desenvolvimento da mecânica quântica, no entanto, muitos procuraram alavancar o poder do emaranhamento quântico para subverter essa regra. Muitos esquemas inteligentes foram concebidos em uma variedade de tentativas de transmitir informações que “enganam” a relatividade e permitem uma comunicação mais rápida que a luz, afinal. Embora seja uma tentativa admirável de contornar as regras do nosso Universo, todos os esquemas não apenas falharam, mas foi provado que todos esses esquemas estão fadados ao fracasso. Mesmo com o emaranhamento quântico, a comunicação mais rápida que a luz ainda é uma impossibilidade dentro do nosso Universo. Aqui está a ciência do porquê.

Jogar uma moeda deve resultar em um resultado 50/50 de obter cara ou coroa. Se duas moedas ‘quânticas’ estiverem emaranhadas, no entanto, medir o resultado de uma das moedas (cara ou coroa) pode fornecer informações para fazer melhor do que adivinhar aleatoriamente quando se trata do estado da outra moeda. No entanto, essa informação só pode ser transmitida, de uma moeda para outra, na velocidade da luz ou mais lenta.

Conceitualmente, o emaranhamento quântico é uma ideia simples. Você pode começar imaginando o Universo clássico e um dos experimentos “aleatórios” mais simples que você pode realizar: realizar um cara ou coroa. Se você e eu tivermos uma moeda honesta e a jogarmos, cada um de nós espera que haja uma chance de 50/50 de cada um de nós obter cara e uma chance de 50/50 de que cada um de nós obtenha coroa. Seus resultados e os meus resultados não devem ser apenas aleatórios, eles devem ser independentes e não correlacionados: se eu tirar cara ou coroa, ainda deve ter chances de 50/50, independentemente do que você obtiver com seu flip.

Mas se este não é um sistema clássico, e sim quântico, é possível que sua moeda e minha moeda estejam emaranhadas. Cada um de nós ainda pode ter uma chance de 50/50 de obter cara ou coroa, mas se você jogar sua moeda e medir cara, será instantaneamente capaz de prever estatisticamente para melhorar de precisão de 50/50 se minha moeda provavelmente cairia em cara ou coroa. Esta é a grande ideia do emaranhamento quântico: que existem correlações entre os dois quanta emaranhados, o que significa que, se você realmente medir o estado quântico de um deles, o estado do outro não é determinado instantaneamente, mas algumas informações probabilísticas podem ser obtidas sobre isso.

Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos “teletransportar” informações sobre o estado de um medindo o estado do outro, mesmo de locais extraordinariamente diferentes. As interpretações da física quântica que exigem localidade e realismo não podem dar conta de uma miríade de observações, mas interpretações múltiplas parecem ser igualmente boas.

Como isso funciona, conceitualmente?

Na física quântica, existe um fenômeno conhecido como emaranhamento quântico, que é onde você cria mais de uma partícula quântica — cada uma com seu próprio estado quântico individual — onde algo importante sobre a soma dos dois estados juntos é conhecido. É como se houvesse um fio invisível conectando esses dois quanta (ou, se duas moedas estivessem emaranhadas de acordo com as leis da mecânica quântica, sua moeda e minha moeda), e quando um de nós faz uma medição sobre a moeda que temos, podemos saber instantaneamente algo sobre o estado da outra moeda que vai além de nossa familiar “aleatoriedade clássica”.

Embora isso soe como um trabalho puramente teórico, está no domínio da experiência há muitas décadas. Criamos pares de quanta emaranhados (fótons, para ser específico) que são levados um do outro até ficarem separados por grandes distâncias, então temos dois aparelhos de medição independentes que nos dizem qual é o estado quântico de cada partícula. . Fazemos essas medições o mais próximo possível da simultaneidade e depois nos reunimos para comparar nossos resultados. Esses experimentos são tão profundos que pesquisas seguindo essas linhas recebeu uma parte do Prêmio Nobel de Física de 2022 .

A melhor imitação realista local possível (vermelho) para a correlação quântica de dois spins no estado singleto (azul), insistindo na anticorrelação perfeita a zero graus, correlação perfeita a 180 graus. Existem muitas outras possibilidades para a correlação clássica sujeita a essas condições laterais, mas todas são caracterizadas por picos agudos (e vales) em 0, 180, 360 graus, e nenhuma tem valores mais extremos (+/-0,5) em 45, 135, 225, 315 graus. Esses valores são marcados por estrelas no gráfico e são os valores medidos em um experimento padrão do tipo Bell-CHSH. As previsões quânticas e clássicas podem ser claramente discernidas e foram identificadas em vários ângulos em 1972 com a tese de doutorado de Stuart Freedman.

O que descobrimos, talvez surpreendentemente, é que os resultados para sua moeda e minha moeda (ou, se preferir, o giro do seu fóton e o giro do meu fóton) estão correlacionados um com o outro! Agora separamos dois fótons por distâncias de centenas de quilômetros antes de fazer essas medições críticas e, em seguida, medir seus estados quânticos em nanossegundos um do outro. Se um desses fótons tiver spin +1, o estado do outro pode ser previsto com cerca de 75% de precisão, em vez dos 50% padrão que você esperaria classicamente sabendo que é +1 ou -1.

Além disso, essa informação sobre o spin da outra partícula pode ser conhecida instantaneamente, em vez de esperar que o outro aparelho de medição nos envie os resultados desse sinal, o que levaria cerca de um milissegundo. Parece, na superfície, que podemos saber algumas informações sobre o que está acontecendo na outra extremidade do experimento emaranhado não apenas mais rápido que a luz, mas pelo menos dezenas de milhares de vezes mais rápido que a velocidade da luz. Isso significa que a informação está realmente sendo transmitida em velocidades mais rápidas do que a velocidade da luz?

Se duas partículas estão emaranhadas, elas têm propriedades de função de onda complementares e a medição de uma determina as propriedades da outra. Se você criar duas partículas ou sistemas emaranhados, no entanto, e medir como uma decai antes que a outra decaia, você deve ser capaz de testar se a simetria de reversão do tempo é conservada ou violada.

Superficialmente, pode parecer que as informações realmente estão sendo transmitidas em velocidades superiores à da luz. Por exemplo, você pode tentar criar um experimento que obedeça à seguinte configuração:

• Você prepara um grande número de partículas quânticas emaranhadas em um local (fonte).
• Você transporta um conjunto de pares emaranhados para uma longa distância (até o destino) enquanto mantém o outro conjunto de partículas emaranhadas na fonte.
• Você faz com que um observador no destino procure algum tipo de sinal e force suas partículas emaranhadas no estado +1 (para um sinal positivo) ou -1 (para um sinal negativo).
• Em seguida, você faz suas medições dos pares emaranhados na fonte e determinar com probabilidade superior a 50/50 qual estado foi escolhido pelo observador no destino.

Se essa configuração funcionasse, você realmente seria capaz de saber se o observador no destino distante forçou seus pares emaranhados no estado +1 ou -1, simplesmente medindo seus próprios pares de partículas depois que o emaranhamento foi quebrado de longe.

O padrão de onda para os elétrons que passam por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir “por qual fenda” o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. Independentemente da interpretação, os experimentos quânticos parecem se importar se fazemos certas observações e medições (ou forçamos certas interações) ou não.

Essa parece ser uma ótima configuração para permitir uma comunicação mais rápida que a luz. Tudo o que você precisa é de um sistema suficientemente preparado de partículas quânticas emaranhadas, um sistema acordado para o que os vários sinais significarão quando você fizer suas medições e um tempo pré-determinado no qual você fará essas medições críticas. Mesmo a anos-luz de distância, você pode aprender instantaneamente sobre o que foi medido em um destino observando as partículas que você teve o tempo todo.

Mas isso está certo?

É um esquema extremamente inteligente para um experimento, mas que na verdade não compensa de forma alguma. Quando você, na fonte original onde os pares de partículas foram emaranhados e criados, fizer essas medições críticas, descobrirá algo extremamente decepcionante: seus resultados simplesmente mostram 50/50 de chances de estar no estado +1 ou -1. É como se as ações do observador distante, forçando seus membros dos pares emaranhados a estarem no estado +1 ou -1, não tivessem nenhum efeito em seus resultados experimentais. Os resultados são idênticos aos que você esperaria se nunca houvesse qualquer emaranhamento.

Esquema do experimento do terceiro Aspecto testando a não-localidade quântica. Fótons emaranhados da fonte são enviados para dois interruptores rápidos que os direcionam para detectores de polarização. Os interruptores alteram as configurações muito rapidamente, alterando efetivamente as configurações do detector para o experimento enquanto os fótons estão em movimento. Diferentes configurações, intrigante o suficiente, resultam em diferentes resultados experimentais.

Onde nosso plano desmoronou? Foi na etapa em que pedimos ao observador no destino que fizesse uma observação e tentasse codificar essa informação em seu estado quântico, onde havíamos declarado anteriormente: 'Você tem um observador no destino procurando por algum tipo de sinal e força suas partículas emaranhadas no estado +1 (para um sinal positivo) ou no estado -1 (para um sinal negativo).

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Quando você dá esse passo — forçar um membro de um par emaranhado de partículas a um estado quântico específico — essa ação não apenas quebra o emaranhamento entre as duas partículas, mas também não quebra o emaranhamento e determina quais eram as propriedades daquela partícula; ele quebra o emaranhamento e o coloca em um novo estado que não se importa com qual estado (+1 ou -1) teria sido “determinado” ao fazer uma medição justa.

Ou seja, o outro membro do par emaranhado não é afetado por essa ação “forçante” e seu estado quântico permanece aleatório, como uma superposição dos estados quânticos +1 e -1. O que você fez ao “forçar” um membro das partículas emaranhadas em um estado específico é quebrar completamente a correlação entre os resultados da medição. O estado em que você “forçou” a partícula de destino agora não está 100% relacionado ao estado quântico da partícula de origem.

Uma configuração de experimento de borracha quântica, onde duas partículas emaranhadas são separadas e medidas. Nenhuma alteração de uma partícula em seu destino afeta o resultado da outra. Você pode combinar princípios como o apagador quântico com o experimento da fenda dupla e ver o que acontece se você mantiver ou destruir, ou olhar ou não olhar, a informação que você cria medindo o que ocorre nas próprias fendas.

A única maneira de contornar esse problema é se existisse alguma maneira de fazer uma medição quântica que realmente forçasse um determinado resultado. (Observação: isso não é permitido pelas leis da física atualmente conhecidas.)

Se você pudesse fazer isso, alguém no destino poderia realizar observações — por exemplo, saber se um planeta que estava visitando era habitado ou não — e então usar algum processo desconhecido para:

• medir o estado de suas partículas quânticas,
• onde o resultado será +1 se o planeta for habitado,
• ou -1 se o planeta for desabitado,
• e, assim, permitir que o observador da fonte com os pares emaranhados descubra instantaneamente se este planeta distante é habitado ou não.

Infelizmente, os resultados de uma medição quântica são inevitavelmente aleatórios ; você não pode codificar um resultado preferido em uma medição quântica.

Mesmo tirando proveito do emaranhamento quântico, deve ser impossível fazer melhor do que adivinhar aleatoriamente quando se trata de saber o que acontece na outra extremidade de um experimento de emaranhamento, independentemente de se tratar de giros de fótons, cara ou coroa, ou tentar saber o que cartas que a mão do dealer segura.

Como o físico quântico Chad Orzel escreveu , há uma grande diferença entre fazer uma medição (onde o emaranhamento entre os pares é mantido) e forçar um determinado resultado — que em si é uma mudança de estado — seguido de uma medição (onde o emaranhamento não é mantido). Se você quiser controlar, em vez de simplesmente medir, o estado de uma partícula quântica, perderá seu conhecimento do estado completo do sistema combinado assim que fizer essa operação de mudança de estado acontecer.

O emaranhamento quântico só pode ser usado para obter informações sobre um componente de um sistema quântico medindo o outro componente, desde que o emaranhamento permaneça intacto. O que você não pode fazer é criar informações em uma extremidade de um sistema emaranhado e, de alguma forma, enviá-las para a outra extremidade. Se você pudesse, de alguma forma, fazer cópias idênticas de seu estado quântico, a comunicação mais rápida que a luz seria possível, afinal, mas isso também é proibido pelas leis da física .

Se você pudesse, de alguma forma, pegar um estado quântico e fazer uma cópia idêntica dele, seria possível inventar um esquema de comunicação mais rápido que a luz. No entanto, um teorema válido de não clonagem foi comprovado nas décadas de 1970 e 1980 por várias partes independentes, já que o ato de tentar medir um estado quântico (para saber o que é) muda fundamentalmente o resultado.

Há muita coisa que você pode fazer aproveitando a física bizarra do emaranhamento quântico, como criando um sistema quântico de fechadura e chave que é virtualmente inquebrável com cálculos puramente clássicos. Mas o fato de você não pode copiar ou clonar um estado quântico — como o simples ato de ler o estado o altera fundamentalmente — é o prego no caixão de qualquer esquema viável para alcançar uma comunicação mais rápida que a luz com emaranhamento quântico. Muitos aspectos do emaranhamento quântico, que em si é um rico campo de pesquisa, foram reconhecidos no Prêmio Nobel de Física de 2022 .

Há muitas sutilezas associadas a como o emaranhamento quântico realmente funciona na prática , mas a principal conclusão é esta: não há procedimento de medição que você possa realizar para forçar um determinado resultado enquanto mantém o emaranhamento entre as partículas. O resultado de qualquer medição quântica é inevitavelmente aleatório, negando essa possibilidade. Acontece que Deus realmente joga dados com o Universo , e isso é bom. Nenhuma informação pode ser enviada mais rápido que a luz, permitindo que a causalidade ainda seja mantida para o nosso Universo.

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